一种PEO基固态电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于固态电解质的技术领域，具体涉及一种PEO基固态电解质及其制备方法和应用。所述PEO基固态电解质的制备为采用原位生长的方法，将MOFs生长在静电纺丝纤维表面，将离子液体灌入MOFs的管道中，最后用PEO浇筑即得到固态电解质；所述静电纺丝纤维包括聚丙烯腈纤维薄膜。采用了静电纺丝和原位生长技术相结合，制备出ZIF/PAN/IL/PEO固态电解质，其通过离子液体灌入MOFs后产生的界面润湿效果，提高了电解质的离子电导率，所制备的PEO基固态电解质可以在常温下稳定运行常压及高压电池，并且可以正常运行液态电解液难以运行的有机电池，在新能源固态储能电池领域有较大应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种PEO基固态电解质及其制备方法和应用
本专利技术属于固态电解质的
，具体涉及一种PEO基固态电解质及其制备方法和应用。
技术介绍
能源为现代人类的生活和生产活动提供必要的能量，作为全球消耗的主要能源，化石能源无法再生且不可重复利用，同时大部分化石能源会在本世纪上半叶消耗殆尽。同时，化石能源的勘探，生产，运输，储存和使用过程中会产生大量温室气体，有毒气体和细微固体颗粒物，威胁全球生态安全。因此，为了缓解全球能源短缺和生态危机，开发与利用太阳能，风能等新能源变得日益迫切，而这些清洁能源的利用都需要安全的，高能量密度的二次电池作为能量存储与转化装置。锂离子电池作为一种高效的储能器件具有能量密度高，输出功率大，电压高，自放电小等优点，研究安全，高能量密度的锂电池对新能源产业具有重要意义。目前广泛采用的锂电池均使用易燃易挥发的液态电解质，此类电池在充放电异常的情况下易产生自燃爆炸等安全事故。此外，液态电解质锂电池封装难度大，难实现薄膜化和高压集成。固态锂电池具有高安全性、高能量密度、低自放电、耐高温等优点，很好地避免液体电解质带来的副作用，提高了电池的服役寿命和安全性。固态电解质具有高机械性和高稳定性，为下一代安全、高能量的储能电池的发展提供了可能。相比液态电解质，固态电解质具有以下突出优点：首先，固态电解质无泄漏问题，与空气接触稳定，无燃爆危险。其次，易成膜，易叠片的固态电解质电池封装难度小，易实现高压集成和规模化生产。另外，与电解液相比，大多数电解质具有更高的锂离子迁移数，可以有效解决电池的浓差极化问题。在众多固态电解质中，PEO基聚合物固态电解质因其具有高安全性，力学柔性，粘弹型和易成膜等优点，被认为是下一代高能储器件中最具潜力的固态电解质之一。PEO的工作机理主要是锂离子通过不断同PEO长链中的醚氧键发生络合-解络合过程，由PEO的链段运动实现锂离子迁移。因此，PEO链段的运动能力很大程度上决定了PEO基固态电解质的离子电导率。但是，纯PEO室温下易结晶，锂盐在无定形相中的溶解度低，载流子浓度低，锂离子迁移数小，PEO基电解质的室温离子电导率仅为10-7S·cm-1，无法运行电池。金属有机框架(MOFs)作为一种多孔配位聚合物具很高的可设计性，在气体吸附、药物传递、催化、能量储存等领域得到了广泛的研究。MOFs作为PEO聚合物电解质的填料可以有效地增加锂盐的解离和聚合物的节段迁移率，增强流动离子和迁移途径，有助于提高锂离子导电性。如Liu等人通过添加MOF-5作为PEO填料实现了固态电解质电导率由7.36×10-6S·cm-1提升至3.16×10-5S·cm-1。然而，在传统的MOFs作为PEO固态电解质填料的方法中，MOFs被作为一种塑化剂来减少PEO的结晶区域，增大固态电解质的离子电导率，但研究者普遍忽略了由于MOFs颗粒间产生的晶体界面对锂离子传输的阻碍以及MOFs与PEO聚合物接触时存在的严重的界面问题，这些都会严重降低聚合物固态电解质传到锂离子的性能，使其只能在大于60℃的高温环境下运行，无法实际应用；其次，MOFs之间由于晶体界面的影响，锂离子无法通过，并且添加MOFs的总量有限，易局部团聚，降低电解质离子电导率；另外，目前MOFs共混PEO基固态电解质普遍无法在常温下运行。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种PEO基固态电解质及其制备方法和应用，将MOFs密致生长在静电纺丝纤维表面，克服晶体界面阻抗对于锂离子传输的影响，接着将离子液体灌入MOFs的管道中并用PEO浇筑得到固态电解质，通过离子液体灌入MOFs后产生的界面润湿效果，提高了电解质的离子电导率。本专利技术的
技术实现思路
如下：本专利技术提供了一种PEO基固态电解质，所述PEO基固态电解质的组成包括静电纺丝纤维、MOFs、离子液体以及PEO，形成网格结构；所述PEO基固态电解质的制备为采用原位生长的方法，将MOFs生长在静电纺丝纤维表面，将离子液体灌入MOFs的管道中，最后用PEO浇筑即得到固态电解质；所述静电纺丝纤维包括聚丙烯腈纤维薄膜。本专利技术还提供了一种PEO基固态电解质的制备方法，包括如下步骤：1)静电纺丝纤维薄膜的制备：将静电纺丝聚合物(PAN)与二甲基咪唑混合溶解，之后进行静电纺丝工艺，干燥得到静电纺丝纤维薄膜(PAN)；2)ZIF-静电纺丝纤维薄膜的制备：将步骤1)制得的静电纺丝纤维薄膜置于水合锌盐溶液中浸泡，取出薄膜置于二甲基咪唑溶液中静置，用甲醇冲洗，150℃下烘干隔夜，得到ZIF-静电纺丝纤维薄膜(ZIF/PAN)；3)ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体薄膜的制备：将锂盐溶于离子液体中形成离子溶液(IL)，干燥挥发多余有机溶液，将离子溶液滴加到步骤2)所制备的ZIF-静电纺丝纤维薄膜，形成ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体薄膜(ZIF/PAN/IL)；4)ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体/聚环氧乙烷固态电解质的制备：将聚环氧乙烷和锂盐溶解，将得到的溶液滴加于步骤3)的ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体薄膜中，真空干燥得到ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体/聚环氧乙烷固态电解质(ZIF/PAN/IL/PEO)；步骤1)所述的静电纺丝工艺的纺丝电压为10～13kV，流速为0.8～1.2mL/h；步骤1)所述静电纺丝聚合物包括聚丙烯腈(PAN)；步骤2)所述水合锌盐包括水合乙酸锌或水合硝酸锌，溶于有机溶液中得到水合锌盐溶液；步骤3)和步骤4)所述的锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂；步骤3)所述的离子溶液包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM][TFSI])。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的PEO基固态电解质，采用原位生长的方法，将MOFs密致生长在静电纺丝纤维表面(ZIF/PAN)，克服晶体界面阻抗对于锂离子传输的影响，接着将离子液体灌入MOFs的管道中并用PEO浇筑得到固态电解质(ZIF/PAN/IL/PEO)，将其用于装配电池时，MOFs受到挤压液体溢出润湿MOFs与PEO间的界面，促进锂离子传输，相比现有技术，不仅能够提高电池导电率，还能够用于常温下的电池运行；本专利技术的PEO基固态电解质的制备方法，采用了静电纺丝和原位生长技术相结合，制备出ZIF/PAN/IL/PEO固态电解质，其通过离子液体灌入MOFs后产生的界面润湿效果，提高了电解质的离子电导率，所制备的PEO基固态电解质可以在常温下稳定运行常压及高压电池，并且可以正常运行液态电解液难以运行的有机电池，在新能源固态储能电池领域有较大应用前景。附图说明图1为本专利技术ZIF-静电纺丝纤维薄膜的电镜图；图2为本专利技术ZIF/PAN/IL/PEO固态电解质的电镜图；图3为本专利技术PEO基固态电解质与其他电解质的性能对比图；图4为本专利技术PEO基固态电解质应用于电池的性能图。具体实施方式以下通过具体的实施案例以及附图说明对本专利技术作进一步详细的描述，应理解这些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PEO基固态电解质，其特征在于，所述PEO基固态电解质的组成包括静电纺丝纤维、MOFs、离子液体以及PEO。/n

【技术特征摘要】
1.一种PEO基固态电解质，其特征在于，所述PEO基固态电解质的组成包括静电纺丝纤维、MOFs、离子液体以及PEO。


2.由权利要求1所述的PEO基固态电解质，其特征在于，所述PEO基固态电解质的制备为采用原位生长的方法，将MOFs生长在静电纺丝纤维表面，将离子液体灌入MOFs的管道中，最后用PEO浇筑即得到固态电解质。


3.由权利要求1或2所述的PEO基固态电解质，其特征在于，所述静电纺丝纤维包括聚丙烯腈纤维薄膜。


4.一种权利要求1～3任一项所述的PEO基固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)静电纺丝纤维薄膜的制备：将静电纺丝聚合物与二甲基咪唑混合溶解，之后进行静电纺丝工艺，干燥得到静电纺丝纤维薄膜；
2)ZIF-静电纺丝纤维薄膜的制备：将步骤1)制得的静电纺丝纤维薄膜置于水合锌盐溶液中浸泡，取出薄膜置于二甲基咪唑溶液中静置，清洗干燥，得到ZIF-静电纺丝纤维薄膜；
3)ZIF-8/静电纺丝纤维/离子液体薄膜的制备：将锂盐溶于离子液体中形成离子溶液，将离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪旭佳，张学良，戴明华，陈丽珊，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44